DE69018401T2

DE69018401T2 - F-theta-Linse und diese Linse enthaltendes optisches Abtastsystem.

Info

Publication number: DE69018401T2
Application number: DE69018401T
Authority: DE
Inventors: Jun Makino
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-12-20
Filing date: 1990-12-17
Publication date: 1995-08-31
Anticipated expiration: 2010-12-18
Also published as: EP0433953B1; EP0433953A2; JP2673591B2; EP0433953A3; US5136412A; JPH03191316A; DE69018401D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine fθ- Linse, die in einem optischen Abtastsystem verwendet wird, und insbesondere auf eine fθ-Linse zum Ausbilden eines feinen Punkts und auf ein dieselbe enthaltendes optisches Laserabtastsystem gemäß den Öberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 5.
Bei einem optischen Laserabtastsystem gemäß dem Stand der Technik wird ein von einer Laserlichtquelle emittierter Laserstrahl mittels einer Kollimatorlinse kollimiert, mittels eines Ablenkelements wie zum Beispiel eines Polygonspiegels reflektiert und mittels eines Fokussierlinsensystems wird auf einer Bildebene ein Laserstrahlpunkt ausgebildet und sie wird abgetastet.
Bei einem derartigen optischen Laserabtastsystem wie zum Beispiel einem Polygonspiegel, bei dem der Strahl mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit abtastet, wird ein sogenanntes fθ-Linsensystem mit einer fθ-Eigenschaft bzw.- Charakteristik (eine theoretische Bildhöhe ist durch fθ gegeben, wobei f eine Brennweite des optischen Systems ist und θ ein Einfallswinkel ist) als eine Fokussierlinse verwendet, um die konstante Geschwindigkeit in einer Mauptabtastrichtung auf der Bildebene aufrechtzuerhalten.
Im allgemeinen wird, da die durch den Strahl abgetastete Bildebene eben ist, eine Bildebenenverzerrung auf der Bildebene in der Fokussierlinse kompensiert.
Des weiteren wird manchmal ein anamorphotisches optisches System wie zum Beispiel eine torische Linse in der Fokussierlinse verwendet, um die Schwingung (Uneinheitlichkeit im Abstand) der Abtastlinien auf der Bildebene aufgrund einer Schiefe einer Reflexionsebene eines Ablenkelements wie zum Beispiel eines Polygonspiegels von einer festgelegten Position zu verhindern.
Eine fθ-Linse, die in dem Fokussierlinsensystem drei Linsen aufweist, um einen feinen Laserpunkt (weniger als 50 um mittels eines Lasers mit einer Wellenlänge von λ = 780 nm) auszubilden, wurde im USP 4.674.825 vorgeschlagen. Diese fθ-Linse hat im Prinzip einen in Fig. 1 gezeigten Aufbau, bei welchem eine konkave sphärische Linse 51, eine konvexe sphärische Linse 52 und eine torische Linse 53 von einer Spiegelebene M eines Ablenkelements aus zu einer Bildebene I hin in dieser Reihenfolge angeordnet sind.
Die Daten der in Fig. 1 gezeigten Abtastlinse sind im folgenden gezeigt. Tabelle 1 Daten der Abtastlinse Bildwinkel *1: torische Linse Wellenlänge 780 nm In einer Nebenabtastrichtung,
In der Tabelle 1 ist Ri ein Krümmungsradius der i-ten Linsenfläche, von der Spiegelebene M des Ablenkelements aus gezählt, Di ist ein Fläche-zu-Fläche-Abstand von der i-ten Linsenfläche zu der (i+1)-ten Linsenfläche, und Ni ist ein Brechungsindex eines Mediums hinter der i-ten Linsenfläche.
Bei dem vorhergehend genannten fθ-Linsensystem mit drei Linsen wird die Punktform jedoch wesentlich verschlechtert, und die Form kann in einem Randbereich einer Bildebene mit großem Bildwinkel (Abtastwinkel) zu einem Dreieck verzerrt sein, selbst wenn die fθ-Eigenschaft, die Korrektur der Bildebenenverzerrung und der Schiefe eingehalten sind. Als ein Ergebnis dessen vergrößert sich der effektive Punktdurchmesser. Folglich wird bei dem Linsensystem gemäß dem Stand der Technik in dem Randbereich der Bildebene kein Bild von hoher Qualität erreicht.
Die Bildebenenverzerrung der in Fig. 1 gezeigten fθ- Linse und die fθ-Eigenschaft sind in Fig. 2 und 3 gezeigt. Eine Punktform auf der Bildebene bei einem Bildwinkel von 37 Grad ist in Fig. 4 gezeigt.
Wie aus diesen Darstellungen zu sehen ist, sind die fθ- Eigenschaft und die Bildebenenverzerrung bei dem vorliegenden Beispiel gut kompensiert, aber die Punktformen von l/e² (Punktformen von der Spitzenintensität bis zur Intensität von l/e²) sind dreieckig und eine gute Punktform wird nicht erzielt. Als ein Ergebnis dessen wird bei dieser fθ-Linse die Qualität des Bildes in dem Randbereich der Bildebene verschlechtert.
Außerdem offenbart das US-Patent 4 674 825 eine fθ- Linse und ein optisches Abtastsystem mit den Merkmalen der Oberbegriffe der Ansprüche 1 bzw. 5.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine in einem kompakten und hochauflösenden optischen Abtastsystem zu verwendende fθ-Linse zu schaffen.
Um die vorhergehend genannte Aufgabe zu lösen, wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 5 eine Drei-Linsen-fθ-Linse, die eine torische Linse aufweist, geschaffen. Die erste Linse, von einer Lichteinfallseite aus betrachtet, ist eine Linse, die in einer Hauptabtastebene eine negative Brechkraft aufweist, eine zweite Linse ist eine Linse, die in der Hauptabtastebene eine positive Brechkraft aufweist, und die dritte Linse ist eine Linse, die eine torische Ebene und eine positive Brechkraft in der Hauptabtastebene aufweist. Ferner hat eine zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse ausgebildete Luftlinse eine positive Brechkraft in der Hauptabtastebene. Diese Luftlinse wird mittels Auswählen der jeweiligen Radien und Brechungsindizes der ersten und der zweiten Linse sowie des Abstands zwischen diesen ausgebildet. Als ein Ergebnis dessen wird die Punktform in dem Randbereich der Bildebene in guter Qualität erhalten, und das optische Abtastsystem, welches als gesamtes Abtastsystem kompakt ist und außerdem von hoher Auflösung ist, wird erzielt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine Hauptabtastungs-Schnittansicht bei einem System gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt eine Bildebenenverzerrung einer bei dem System gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 3 zeigt eine fθ-Charakteristik bei dem System gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 4 zeigt eine Punktform bei einem Bildwinkel von 37 Grad gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 5 zeigt eine Hauptabtastungs-Schnittansicht bei einem ersten Ausführungsbeispiel.
Fig. 6 zeigt eine Nebenabtastungs-Schnittansicht bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Fig. 7 zeigt ein optisches Abtastsystem, bei welchem die fθ-Linse der vorliegenden Erfindung benutzt wird.
Fig. 8 zeigt eine Bildebenenverzerrung bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Fig. 9 zeigt eine fθ-Charakteristik bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Fig. 10 zeigt eine Punktform bei einem Bildwinkel von 37 Grad bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Fig. 11 zeigt eine Hauptabtastungs-Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels.
Fig. 12 zeigt eine Bildebenenverzerrung bei dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Fig. 13 zeigt eine fθ-Charakteristik bei dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Fig. 14 zeigt eine Punktform bei einem Bildwinkel von 37 Grad bei dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Fig. 15 zeigt eine Hauptabtastungs-Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels.
Fig. 16 zeigt eine Bildebenenverzerrung bei dem dritten Ausführungsbeispiel.
Fig. 17 zeigt eine fθ-Charakteristik bei dem dritten Ausführungsbeispiel, und
Fig. 18 zeigt eine Punktform bei einem Bildwinkel von 37 Grad bei dem dritten Ausführungsbeispiel.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 5 und 6 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht einer fθ-Linse der vorliegenden Erfindung, die entlang einer Hauptabtastebene (welche durch einen Lichtstrahl ausgebildet ist, mit dem abgetastet werden soll, und eine optische Achse einschließt) aufgenommen ist, und Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht der fθ-Linse, die entlang einer Nebenabtastebene (welche orthogonal zu der Hauptabtastebene ist und die optische Achse einschließt) aufgenommen ist.
Die fθ-Linse 10 weist eine konkave sphärische Linse L&sub1;, eine konvexe sphärische Linse L&sub2; und eine torische Linse L&sub3; auf, die von einer Spiegelebenenposition M eines Ablenkelements aus zu einer Bildebene I hin in dieser Reihenfolge angeordnet sind. Ein Symbol c bezeichnet eine zylindrische Linse, die zwischen einer Lichtquelle wie zum Beispiel einem Laser und der Spiegelebenenposition M angeordnet ist. Sie hat nur in einer Nebenabtastrichtung eine Brechkraft. In Fig. 5 und 6 bezeichnen r&sub1; und r&sub2; Krümmungsradien einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche (gezählt von M) der konkaven sphärischen Linse L&sub1;, r&sub3; und r&sub4; bezeichnen Krümmungsradien einer dritten Fläche und einer vierten Fläche der konvexen sphärischen Linse L&sub2;, r&sub5;&sub1; und r&sub6;&sub1; bezeichnen Krümmungsradien einer fünften Fläche und einer sechsten Fläche der torischen Linse L&sub3; in der Hauptabtastungs-Schnittebene, und r&sub5;&sub2; und r&sub6;&sub2; bezeichnen Krümmungsradien der fünften Fläche und der sechsten Fläche in der Nebenabtastungs-Schnittebene.
Fig. 7 zeigt einen Aufbau eines optischen Abtastsystems, bei dem die fθ-Linse der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Er weist eine Lichtquelleneinheit 1 einschließlich einer Lichtquelle oder der Lichtquelle und einer Kollimatorlinse, ein lineares Bildfokussiersystem 2 mit einer zylindrischen Linse zum linearen Fokussieren eines von der Lichtquelleneinheit 1 emittierten Lichtstrahls, und ein Ablenkelement 3 mit einer Ablenk-Reflexionsebene 3a auf, die in der Nähe einer Position angeordnet ist, in welcher der Lichtstrahl durch das lineare Bildfokussiersystem 2 linear fokussiert wird. Zwischen dem Ablenkelement 3 und einem abzutastenden Medium 7 sind eine sphärische konkave Einzellinse 4, eine sphärische konvexe Einzellinse 5 und eine Einzellinse 6 mit einer torischen Ebene angeordnet, welche eine Hauptachse und eine Nebenachse von verschiedenen Brechwerten in zwei othogonalen Richtungen hat. Durch das kombinierte System dieser Linsen wird auf dem Medium 7 ein fokussierter Punkt ausgebildet, und das Medium 7 wird durch den Punkt abgetastet, wenn das Ablenkelement 3 gedreht wird.
Die fθ-Linse 10 mit der Schiefekorrektur-Wirkung weist die einzelne sphärische konkave Linse 4, die einzelne sphärische konvexe Linse 5 und die einzelne Linse 6 mit der torischen Ebene auf, wie im vorhergehenden beschrieben ist.
Der von der Lichtquelle emittierte Lichtstrahl wird mittels der Kollimatorlinse 10 kollimiert, durch die Zylinderlinse hindurch linear auf die Nähe der Spiegelebene M des Ablenkelements gerichtet, dadurch abgelenkt und auf die Bildebene I fokussiert. Folglich wird der Laserstrahl mittels der Zylinderlinse in der Nebenabtastungs-Schnittebene auf die Spiegelebene M des Ablenkelements fokussiert, und dann mittels der fθ-Linse wieder auf die Bildebene I fokussiert.
Ein spezielles Beispiel der fθ-Linse ist in Tabelle 2 gezeigt, bei welchem r&sub1; etc. die gleichen wie die vorhergehend genannten sind, d&sub0; ein Abstand zwischen der Spiegelebene M und der ersten Fläche ist, di (i = 1 ~ 5) ein Abstand zwischen der i-ten Fläche und der (i+1)-ten Fläche ist, d&sub6; ein Abstand zwischen der sechsten Fläche und der Bildebene I ist, n0, n&sub2;, n&sub4; und n&sub6; Brechungsindizes von Luft sind, und n&sub1;, n&sub3; und n&sub5; Brechungsindizes der Linsen L&sub1;, L&sub2; bzw. L&sub3; sind. Tabelle 2
Wie aus Tabelle 2 zu sehen ist, wird zwischen den Linsen L&sub1; und L&sub2; durch die zweite Fläche (Krümmungsradius r&sub2;) und die dritte Fläche (Krümmungsradius r&sub3;) eine Luftlinse ausgebildet, wobei r&sub3; < r&sub2; < 0 (d. h., r&sub2;/r&sub3; ≤ 1) ist. Demgemäß hat die Luftlinse eine positive Brechkraft.
Die Tatsache, daß die Luftlinse die positive Brechkraft aufweist, bedeutet, daß eine kombinierte Brechkraft der Flächen r&sub2; und r&sub3; positiv ist.
Brechkraft der Fläche r&sub2;
φA = 1 - n&sub1;/R&sub2;
Brechkraft der Fläche r3
φB = n&sub3; - 1/r&sub3;
Kombinierte Brechkraft
φ = φA + φB - eφAφB ...(1)
wobei e = d&sub2;
Die Tatsache, daß die Gleichung positiv ist, bedeutet, daß die Luftlinse eine positive Brechkraft hat.
die Bildebenenverzerrung und die fθ-Eigenschaft der fθ- Linse 10 sind in Fig. 8 und 9 gezeigt. Es ist zu sehen, daß die Bildebenenverzerrung und die fθ-Eigenschaft in der Hauptabtastebene und in der Nebenabtastebene gut sind.
Fig. 10 zeigt das Ergebnis der Berechnung einer Punkt form bei einem Bildwinkel von 37 Grad unter Verwendung der fθ-Linse 10. Der Punkt ist an einer Umrißlinie von l/e² elliptisch (etwas länger in einer Nebenabtastebene), und er wird in einer guten Form erhalten.
Fig. 11 zeigt eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, die entlang der Hauptabtastebene genommen ist. Eine fθ-Linse 20 weist eine konkave sphärische Linse L&sub1;, eine konvexe sphärische Linse L&sub2; und eine torische Linse L&sub3; auf, die von einer Spiegelebene M aus betrachtet, in dieser Reihenfolge angeordnet sind.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel hat eine Luftlinse zwischen den Linsen L&sub1; und L&sub2; auch eine positive Brechkraft in der Hauptabtastebene.
Ein spezifisches Beispiel der fθ-Linse ist in Tabelle 3 gezeigt. Die Verwendung der Symbole ist die gleiche wie bei Tabelle 2. Tabelle 3
Die Bildebenenverzerrung, die fθ-Eigenschaft und die Punktform bei dem Bildwinkel von 37 Grad bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind in Fig. 12, 13 und 14 gezeigt. Es wird deutlich, daß bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ein ähnlicher Effekt wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erzielt wird.
Ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 15 gezeigt. Eine fθ-Linse 30 weist eine konkave sphärische Linse L&sub1;, eine konvexe sphärische Linse L&sub2; und eine torische Linse L&sub3; auf, die von einer Spiegelebene M aus betrachtet, in dieser Reihenfolge angeordnet sind.
Ein spezifisches Beispiel der fθ-Linse 30 ist in Tabelle 4 gezeigt. Die Verwendung der Symbole ist die gleiche wie bei Tabelle 2. Tabelle 4
In dem dritten Ausführungsbeispiel ist wiederum r&sub2; = r&sub3; < 0 (d. h., r&sub2;/r&sub3; ≤ 1) eingehalten, und die Luftlinse zwischen den Linsen L&sub1; und L&sub2; hat eine positive Brechkraft.
Die Bildebenenverzerrung, die fθ-Eigenschaft und die Punktform bei dem Bildwinkel von 37 Grad der fθ-Linse 30 sind in Fig. 16, 17 bzw. 18 gezeigt. Es wird deutlich, daß bei dem dritten Ausführungsbeispiel ein ähnlicher Effekt wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erzielt wird.
Die fθ-Linse der vorliegenden Erfindung, welche bei dem optischen Abtastsystem verwendet wird und die Schiefekorrektur-Funktion hat, weist die erste Linse, die zweite Linse und die dritte Linse auf, die von der Ablenkebene aus betrachtet, in dieser Reihenfolge angeordnet sind. Die erste Linse hat eine negative Brechkraft in der Hauptabtastebene, die zweite Linse hat eine positive Brechkraft in der Hauptabtastebene, die dritte Linse hat eine torische Fläche und in der Hauptabtastebene ist eine positive Brechkraft vorhanden, und die Luftlinse zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse hat eine positive Brechkraft in der Hauptabtastebene.
Vorzugsweise ist die erste Linse eine konkave sphärische Linse, ist die zweite Linse eine konvexe sphärische Linse und ist die dritte Linse eine torische Linse.
Eine bessere Wirkung wird erzielt, wenn die folgende Bedingung eingehalten ist:
- 2,2 ≤ f/r&sub3; ≤ 1,7 wobei r&sub2; und r&sub3; Krümmungsradien der konkaven sphärischen Linse bzw. der konvexen sphärischen Linse sind und f eine Brennweite des gesamten Linsensystems ist.
Wenn f/r&sub3; von dem vorstehend genannten Bereich abweicht, wird die Bildebenenverzerrung in der Hauptabtastebene verschlechtert, und es ist schwierig, den Punkt durchmesser über die gesamte Bildebene fein aufrechtzuerhalten.
Insbesondere wenn die Bedingung r&sub2;/r&sub3; ≤ 1 eingehalten ist, wird mehr Wirkung erzielt.
Wenn r&sub2;/r&sub3; > 1, ist die Brechkraft der Luftlinse negativ, und die Punktform wird-verschlechtert. Deshalb ist 0 ≤ r&sub2;/r&sub3; wünschenswert.
In Übereinstimmung mit der fθ-Linse der vorliegenden Erfindung wird selbst bei einem großen Bildwinkelbereich eine gute Punktform aufrechterhalten, und das optische Abtastsystem, welches kompakt ist und doch eine hohe Auflösung hat, wird erzielt.

Claims

1. fθ-Linse für eine Schiefekorrektur und zum Gebrauch in einem optischen Abtastsystem, wobei die Linse in der folgenden Reihenfolge in der Lichtrichtung des Abtaststrahls aufweist

eine erste Linse (L&sub1;), die eine negative Brechkraft in der Hauptabtastebene hat,

eine zweite Linse (L&sub2;), die eine positive Brechkraft in der Hauptabtastebene hat und neben der ersten Linse (L&sub1;) angeordnet ist,

eine dritte Linse (L&sub3;), die eine torische Fläche und eine positive Brechkraf t in der Hauptabtastebene hat und neben der zweiten Linse (L&sub2;) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

die jeweiligen Radien und Brechungsindizes der ersten und zweiten Linse sowie der Abstand zwischen diesen derart ausgewählt ist, daß zwischen der ersten Linse (L&sub1;) und der zweiten Linse (L&sub2;) eine Luftlinse ausgebildet ist, wobei die Luftlinse eine positive Brechkraft in der Hauptabtastebene hat.

2. fθ-Linse gemäß Anspruch 1, wobei die erste Linse (L&sub1;) eine sphärische Linse ist, die eine negative Brechkraft hat, die zweite Linse (L&sub2;) eine sphärische Linse ist, die eine positive Brechkraf t hat, und die dritte Linse (L&sub3;) eine torische Linse ist.

3. fθ-Linse gemäß Anspruch 2, wobei die Bedingung

-2,2 ≤ f/r&sub3; ≤ 1,7 eingehalten ist, wobei r&sub3; der Krümmungsradius der der ersten Linse (L1) zugewandten Fläche der zweiten Linse (L&sub2;) ist, und f die Brennweite des gesamten optischen Linsensystems ist.

4. fθ-Linse gemäß Anspruch 3, wobei die Bedingung r2/r3 ≤ 1

eingehalten ist, wobei r&sub2; der Krümmungsradius der der zweiten Linse (L&sub2;) zugewandten Fläche der ersten Linse (L&sub1;) ist, und r&sub3; der Krümmungsradius der der ersten Linse (L&sub1;) zugewandten Fläche der zweiten Linse (L&sub2;) ist.

5. Optisches Abtastsystem für eine Schiefekorrektur, mit einer Lichtquelleneinheit (1), einem ersten optischen System (2) zum linearen Fokussieren eines von der Lichtquelleneinheit (1) emittierten Lichtstrahls,

einem Ablenkelement (3), das eine ablenkende Reflexionsebene (3a) hat, die in der Nähe des durch das erste optische System (2) ausgebildeten linearen Bilds angeordnet ist, und

einem zweiten optischen System (10) zum Fokussieren des durch das Ablenkelement (3) abgelenkten Lichtstrahls auf eine vorbestimmte Ebene,

wobei das zweite optische System (10) eine erste Linse (4), eine zweite Linse (5) und eine dritte Linse (6) aufweist, die von dem Ablenkelement (3) aus betrachtet in dieser Reihenfolge angeordnet sind,

wobei die erste Linse (4) eine negative Brechkraft in der Hauptabtastebene hat, die zweite Linse (5) eine positive Brechkraft in der Hauptabtastebene hat, die dritte Linse eine torische Fläche und eine positive Brechkraft in der Hauptabtastebene hat,

wobei das optische Abtastsystem

dadurch gekennzeichnet ist, daß

die jeweiligen Radien und Brechungsindizes der ersten (4) und der zweiten Linse (5) sowie der Abstand zwischen diesen derart ausgewählt ist, daß zwischen der ersten Linse (4) und der zweiten (5) Linse eine Luftlinse ausgebildet ist, wobei die Luftlinse eine positive Brechkraft in der Hauptabtastebene hat.

6. Optisches Abtastsystem gemäß Anspruch 5, wobei die erste Linse (4) eine sphärische Linse ist, die eine negative Brechkraft hat, die zweite Linse (5) eine sphärische Linse ist, die eine positive Brechkraft hat, und die dritte Linse (6) eine torische Linse ist.

7. Optisches Abtastsystem gemäß Anspruch 6, wobei eine Bedingung -2,2 ≤ f/r&sub3; ≤ 1,7 eingehalten ist, wobei r&sub3; der Krümmungsradius der der ersten Linse (4) zugewandten Fläche der zweiten Linse (5) ist, und f die Brennweite des gesamten optischen Linsensystems (10) ist.

8. Optisches Abtastsystem gemaß Anspruch 7, wobei eine Bedingung r&sub2;/r&sub3; ≤ 1

eingehalten ist, wobei r&sub2; der Krümmungsradius der der zweiten Linse (5) zugewandten Fläche der ersten Linse (4) ist, und r&sub3; der Krümmungsradius der der ersten Linse (4) zugewandten Fläche der zweiten Linse (5) ist.